膜結構的設計由于其自身的特點不同于一般傳統(tǒng)結構形式,技術上必須經(jīng)過如下4個步驟:
1.建筑方案設計(architecture design)
一般同建筑師根據(jù)業(yè)主的意圖、功能要求、環(huán)境條件等初步確定建筑的平面形狀尺寸、空間形式及三維造型、凈空、體量等,并基本確定各控制點的坐標。綜合考慮經(jīng)濟和施工工藝等技術條件,與膜結構工程師、業(yè)主及施工技術人員等一起確定經(jīng)濟合理的初步設計方案。
2.找形分析(form-finding)
對于膜結構而言,在沒有施加預應力之前,是沒有結構剛度的,也就是說膜結構任何時候不存在無應力狀態(tài)。由于膜材料本身沒有抗彎剛度,其曲面形狀與預應力的大小和分布是一一對應的,因此在控制點坐標確定后,給定一合理的預應力值及其分布,才能確定合適的膜曲面形狀。預應力值的大小與分布是需根據(jù)多方面的條件進行反復調整后綜合確定的,這個過程叫找形分析。此過程與方案設計過程往往密不可分,需反復調整方可既滿足建筑形狀的要求又保證結構的經(jīng)濟合理及安全可靠。
3.荷載分析(load-analysis)
膜結構的控制荷載通常是風載和雪載。在荷載作用下膜結構的變形較大,因此精確計算結構的變形和應力分布要用幾何非線性方法進行。根據(jù)不同工況下計算出的索、膜、梁、桿等結構構件中的內(nèi)力分布的最不利情況,來選定索、膜等材料的型號及尺寸,確定詳細的節(jié)點做法及構造措施等。因此,經(jīng)濟安全的索建筑必須經(jīng)過仔細地內(nèi)力分析后才能完成,不是憑經(jīng)驗拍在腦袋就能確定的了的,是不能用搭帳篷的的傳統(tǒng)思想不設計膜結構的。
4.剪裁分析(cutting)
剪裁分析就是在預應力狀態(tài)下的曲面形體上尋求合理的裁剪位置及其分布,然后按照一定的方法三維曲面展開為二維平面。為物盡其用,一般要按照膜材料幅寬進行裁剪,但要兼顧到膜面曲率變化情況。